FE 电气与计算机考试练习:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 40 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

串并联电阻

电阻串联
Req = R1 + R2 + …
电阻并联
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
两个电阻并联
Req = R1R2 / (R1 + R2)
欧姆定律
V = I·R
功率
P = V·I = I²R = V²/R

方法

  1. 从离端子最远的网络末端开始。
  2. 串联电阻直接相加,并联电阻用 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. 每一步之后重新画电路。
  4. 重复直到端子之间只剩一个电阻。

节点分析

基尔霍夫电流定律
ΣIin = ΣIout
支路电流
I = (Va − Vb)/R
参考节点
Vground = 0

方法

  1. 选定参考节点(地),并标出其他节点电压。
  2. 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律:流出各支路的电流等于流入的电流。
  3. 把每条支路电流表示为 (Va − Vb)/R。
  4. 解方程组,再求出所需的电流。

网孔分析

基尔霍夫电压定律
沿每个回路 ΣV = 0
公共电阻
电流 = I1 − I2
网孔中的电流源
直接确定该网孔电流

方法

  1. 在电路的每个网孔(窗口)中设一个顺时针电流。
  2. 对每个网孔应用基尔霍夫电压定律:电压降之和为零。
  3. 两个网孔共用的电阻中,电流为两个网孔电流之差。
  4. 解方程;结果为负表示电流实际方向相反。

叠加定理

叠加定理
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
置零的电压源
短路 (0 V)
置零的电流源
开路 (0 A)
分压公式
V2 = V·R2/(R1 + R2)
分流公式
I1 = I·R2/(R1 + R2)

方法

  1. 数一数独立电源的个数。每个电源对应求解一个更简单的电路。
  2. 保留一个电源,将其他电源置零:电压源用短路(导线)代替,电流源用开路(断开)代替。
  3. 在简化后的电路中求所需的电压或电流,并注意其方向。
  4. 对每个电源重复上述步骤,再将各分量按符号相加。

戴维南和诺顿

戴维南电压
Vth = Vopen circuit
戴维南电阻
Rth:所有独立源置零,从 a–b 看进去
诺顿电流
IN = Vth/Rth
负载电流
IL = Vth/(Rth + RL)
最大功率传输
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

方法

  1. 移去负载,并标出两个端子 a 和 b。
  2. 求 a、b 之间的开路电压:这就是 Vth。
  3. 将所有独立电源置零,求从 a–b 看进去的电阻:这就是 Rth。
  4. 把负载接回等效电路:Vth 与 Rth 串联。
  5. 求诺顿等效电路时进行变换:IN = Vth/Rth,RN = Rth 并联。

RC 和 RL 暂态

时间常数
τ = RC | τ = L/R
响应
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
直流下的电容
开路;vC 不能突变
直流下的电感
短路;iL 不能突变
稳态
t ≈ 5τ

方法

  1. 求换路后瞬间的初始值:电容电压和电感电流不能突变。
  2. 求换路后很长时间的终值:电容相当于开路,电感相当于短路。
  3. 求时间常数:τ = RC 或 τ = L/R,使用从电容或电感两端看进去的电阻。
  4. 使用 x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ。

交流阻抗和相量

阻抗
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
角频率
ω = 2πf
模和相角
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
相量形式的欧姆定律
V = I·Z

方法

  1. 换算频率:ω = 2πf。
  2. 求各电抗:XL = ωL,XC = 1/(ωC)。
  3. 像电阻一样把阻抗相加,Z = R + jX。
  4. 求模 |Z| = √(R² + X²) 和相角 φ = atan(X/R),再用相量形式的欧姆定律。

交流功率和功率因数

有功功率
P = V·I·cos φ
无功功率
Q = V·I·sin φ
视在功率
S = V·I = √(P² + Q²)
功率因数
pf = cos φ = P/S
补偿电容
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

三相电

Y 联结
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ 联结
VL = Vph, IL = √3·Iph
总有功功率
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
视在功率和无功功率
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
补偿电容
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
每个电容上的电压
Δ:VL Y:VL/√3
电动机输入
Pin = Pout/η

变压器

匝数比
a = N1/N2 = V1/V2
电流比
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
额定电流
I = S/V
折算阻抗
Z1′ = a²·ZL
部分负载时的铜损
Pcu = x²·Pcu,fl
效率
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
最高效率
x = √(Pcore/Pcu,fl)

运放电路

反相放大器
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
同相放大器
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
加法放大器
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
理想运放
V+ = V−, Iin = 0

二极管与晶体管

二极管(恒压降模型)
VD = 0.7 V when conducting
放大区
VBE = 0.7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
固定偏置
IB = (VCC − 0.7)/RB
分压偏置
IB = (VTH − 0.7)/(RTH + (β + 1)RE)
分压器的戴维南等效
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
集电极回路
VCE = VCC − ICRC − IERE
饱和
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

数制

位权
二进制 2k,八进制 8k,十六进制 16k
转为十进制
Σ dk·bk
从十进制转换
除以基数,余数从下往上读
十六进制 ↔ 二进制
一位十六进制数 = 4 位二进制
二进制补码
按位取反后加 1

数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

基本逻辑门
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
布尔规则
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
德摩根律
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
卡诺图的顺序
00, 01, 11, 10 (Gray code)
由 2ᵏ 个格子组成的圈
消去 k 个变量
4 选 1 多路选择器
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
触发器
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
计数器
n 位:2ⁿ 个状态; 模 N:满足 2ⁿ ≥ N 的最小 n; fout = fclk/N
行波计数器
fmax = 1/(n·tpd)
环形计数器与约翰逊计数器
n 个和 2n 个状态

方法

  1. 对于电路,从输入到输出一个门一个门地分析,并在每根线上写出值;或者写出它的表达式并填写真值表。
  2. 化简时,把 1(以及标为 X 的无关项)填入行列按格雷码 00, 01, 11, 10 排列的卡诺图。
  3. 用尽可能少而大的圈(由 1、2、4、8 或 16 个格子组成)覆盖所有 1,可以绕过边界;每个圈对应一个乘积项,由保持不变的变量构成。求 POS 形式时圈 0。
  4. 对于触发器和计数器,在每个有效时钟边沿读取输入,写出每个边沿之后的状态,并记住 n 位计数器在 2ⁿ 个状态之后回绕。

稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

稳定性
特征多项式的所有根都在左半平面
劳斯表,三次多项式的 s¹ 行元素
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
右半平面的根
第一列中符号变化的次数
三次多项式 s³ + a₂s² + a₁s + a₀
当所有 a > 0 且 a₂·a₁ > a₀ 时稳定
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
特征方程
1 + K·G(s) = 0
渐近线
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
分离点和汇合点
dK/ds = 0
幅值条件
K = 1/|G(s)|
出射角
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

方法

  1. 写出闭环特征多项式:即 1 + K·G(s) = 0 的分母,并展开。
  2. 把系数交替填入劳斯表的前两行,再建立其余各行。
  3. 数第一列中的符号变化:每一次对应右半平面内的一个极点。当表中含有 K 时,要求第一列的每个元素都保持为正。
  4. 画根轨迹时,标出极点和零点、实轴上的线段、来自重心的渐近线,以及 dK/ds = 0 处的分离点。用 K = 1/|G(s)| 求某点处的增益。

稳态误差与 PID 控制

系统型别
G(s) 在 s = 0 处的极点个数
误差常数
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
阶跃 A
ess = A/(1 + Kp)
斜坡 A·t
ess = A/Kv
抛物线 A·t²/2
ess = A/Ka
PID 控制器
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
二阶目标
s² + 2ζωns + ωn²
超调量与时间指标
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

方法

  1. 数一数开环 C(s)·G(s) 在 s = 0 处的极点个数:这就是系统型别。
  2. 求出与输入相匹配的误差常数:阶跃用 Kp,斜坡用 Kv,抛物线用 Ka。
  3. 应用 ess = A/(1 + Kp)、A/Kv 或 A/Ka,或者反过来解出所需的增益。
  4. 对于阻尼或转速的指标,写出闭环特征多项式,并与 s² + 2ζω_n·s + ω_n² 匹配。

2练习题

1.串并联电阻中等
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​8 ΩB

求电源 V1 看到的等效电阻 Req。

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
2.串并联电阻困难
R1​ = 4 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩIR2​AR4​20 ΩBR6​5 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 ΩR5 = 20 ΩR6 = 5 Ω
IR2 = A
3.节点分析中等
R1​6 Ω−+V1​15 VR2​12 Ω+−V2​15 VR3​4 Ω+−V3​15 VI3​A

如图所示,节点 A 与地之间连接了三条支路。用节点分析法求支路 3 中沿箭头方向向上流入节点 A 的电流 I3。

V1 = 15 VR1 = 6 ΩV2 = 15 VR2 = 12 ΩV3 = 15 VR3 = 4 Ω
I3 = A
4.节点分析困难
R1​ = 15 Ω−+Vs​ = 12 V+−V1​5 VR2​20 ΩAR3​12 ΩBIs​1.5 A

A 与 B 之间的电压源 Vₛ 的 + 端在 B,所以它使 VB − VA = Vₛ。 用含超节点的节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

V1 = 5 VIs = 1.5 AVs = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 Ω
VA = V
5.网孔分析中等
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

用网孔分析法求 网孔电流 I1(顺时针)。

V1 = 6 VV2 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 Ω
I1 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 2 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR4​12 ΩIR4​AR5​6 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R4 的电流 IR4。

V1 = 24 VV2 = 30 VR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 ΩR4 = 12 ΩR5 = 6 Ω
IR4 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 ΩIR3​+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​10 ΩBIs​?

求使流过 R3 的电流 IR3 为零的电流源 Is 的值(方向如图所示)。

V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 10 Ω
Is = A
8.叠加定理困难
R1​ = 4 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​15 VR3​12 ΩIR3​AIs​3 AB+−V2​36 V

用叠加定理求 R3 吸收的功率 PR3。

V1 = 15 VIs = 3 AV2 = 36 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 ΩR4 = 30 Ω
PR3 = W
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAab

求从端口 a–b 看进去的戴维南电阻 Rth。

V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩAIs​4 ABab

求诺顿电流 IN:端口短路时从 a 流向 b 的电流。

V1 = 36 VIs = 4 AR1 = 5 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​9 Vt = 0R = 15 ΩL68 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求电路稳定后电感中储存的能量 W(∞),以 mJ 表示。

Vs = 9 VR = 15 ΩL = 68 mH
W(∞) = mJ
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​9 VR1​ = 10 ΩR2​ = 20 Ω在 t = 0 断开L220 mHi(t)

跨接在 R2 两端的开关已闭合很长时间,所以电感电流是稳定的。在 t = 0 开关断开。 求 t = 10 ms 时的电感电流 i。

Vs = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩL = 220 mHt = 10 ms
i = A
13.交流阻抗和相量中等
120 V500 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 4.7 µFI

一个串联 RLC 电路接在 120 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 4.7 µF
I = A
14.交流阻抗和相量困难
5 Vf0​R = 15 ΩL = 100 mHC = 2.2 µF

一个 RLC 串联电路由 5 V(有效值)的电源驱动,电源频率设为电路的谐振频率。求电感两端的电压有效值 VL。

V = 5 V (rms)R = 15 ΩL = 100 mHC = 2.2 µF
VL = V
15.交流功率和功率因数中等
240 VR + jXP = 1440 W7.5 A

一个感性负载从 240 V(有效值)的单相电源吸取 7.5 A 和 1440 W。把它建模为电阻 R 与电抗 X 串联。 求 R。

V = 240 VI = 7.5 AP = 1440 W
R = Ω
16.交流功率和功率因数困难
P1​ = 58 kWQ1​S1​φ

一台 200 kVA 的单相变压器为一个 58 kW、功率因数为 0.65(滞后)的负载供电。在变压器达到其额定 kVA 之前,还能再增加多少电阻性(功率因数为 1)负载的有功功率 ΔP?

Smax = 200 kVAP1 = 58 kWpf1 = 0.65
ΔP = kW
17.三相电中等
ABCVL​ = 208 VIL​ = 50 Acos φ = 0.7滞后

一个对称三相负载从线电压为 208 V 的电源取用 50 A 的线电流,功率因数为 0.7(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 208 VIL = 50 Acos φ = 0.7
P = kW
18.三相电困难
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 480 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 50 kW,功率因数为 0.78(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.98(滞后)。有功功率保持不变。 电容采用 Y 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 50 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.98VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
4 Ω31

一个 4 Ω 的电阻接在匝数比 N₁:N₂ = 3:1 的理想变压器二次绕组两端。求从一次绕组看进去的电阻 R1′。

N1:N2 = 3:1RL = 4 Ω
R1′ = Ω
20.变压器困难
250 kVA

一台单相 250 kVA 变压器的铁损为 750 W,额定负载下铜损为 1875 W。 在多大负载 Sη,max(以 kVA 计)时其效率最高?

S = 250 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 1875 W
Sη,max = kVA
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 47 kΩVin​ = 0.9 V

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源。 求输出电压 Vout。

Vin = 0.9 VR1 = 47 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
22.运放电路困难
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = −0.7 VR1​ = 2 kΩV2​ = 1.1 VR2​ = 47 kΩ

加法放大器使用 ±15 V 供电的理想运放。 求输出电压 Vout。

V1 = −0.7 VV2 = 1.1 VR1 = 2 kΩR2 = 47 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
+−15 V330 Ω9.1 V680 ΩIZ​ = ?

一个 9.1 V 的齐纳稳压器通过 330 Ω 接到 15 V,并向 680 Ω 的负载供电。求齐纳电流 IZ。

Vin = 15 VVZ = 9.1 VR = 330 ΩRL = 680 Ω
IZ = mA
24.二极管与晶体管困难
RC​ = 680 Ωβ = 50VCC​ = 5 V3.3 VRB​ = ?

一只 β = 50 的 NPN 晶体管控制一个接在 VCC = 5 V 与其集电极之间的 680 Ω 负载电阻。发射极接地。基极由 3.3 V 逻辑输出经基极电阻 RB 驱动。取 VBE = 0.7 V,VCE(sat) = 0.2 V。 求仍能使晶体管刚好进入饱和的最大基极电阻 RB,以 kΩ 计。

VCC = 5 VRC = 680 Ωβ = 50Vin = 3.3 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 V
RB = kΩ
25.数制中等
8 位补码0−12806403201608040201

设置各位,使其以 8 位补码存储 −19。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −198 bit
U =
26.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0100 1000 AND 1101 1100 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0100 1000AND1101 1100
R =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC00011110011001030204151706

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(0, 5, 7) 的最简和之积 (POS) 形式。它有多少个和项(因子)N?

F(A, B, C) = Σm(0, 5, 7)
N =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD00011110000111100011X3121405X7060121130150140819011010

求 F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 9, 13) + d(3, 7) 的最简 SOP 形式,其中 d 表示无关项。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 9, 13) + d(3, 7)
N =
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = (5s + 14)/(s² + 8s + 7)。它的逆变换形如 f(t) = A·e−t + B·e−7t。用部分分式法求系数 A。

F(s) = (5s + 14)/(s² + 8s + 7)
A =
30.拉普拉斯变换困难
t (s)y(t)t = 0.2y(0.2) = ?

某系统满足 y″ + 3y′ + 2y = 3·u(t)。它从静止开始(y(0) = 0,y′(0) = 0),输入为阶跃 u(t) = 1(t ≥ 0)。用拉普拉斯变换求输出 y(0.2)。

y″ + 3y′ + 2y = 3·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.2 s
y(0.2) =
31.方框图中等
R(s)+21s + 8G(s)C(s)0.25H−

被控对象 G(s) = 21/(s + 8) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 0.25。 在 R 处施加大小为 10 的阶跃。求稳态输出 css。

G(s) = 21/(s + 8)H = 0.25R = 10
css =
32.方框图困难
R(s)+10s + 3G₁+10s + 6G₂C(s)1H₁−0.5H₂−

化简方框图,其中 G₁ = 10/(s + 3),G₂ = 10/(s + 6),G₂ 周围有内部负反馈 H₁ = 1,外部有负反馈 H₂ = 0.5。求 C(s)/R(s) 的直流增益 T(0)。

G₁ = 10/(s + 3)G₂ = 10/(s + 6)H₁ = 1H₂ = 0.5
T(0) =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)1ts​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 82/(s² + 7s + 82),输入为单位阶跃。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 82/(s² + 7s + 82)
ts = s
34.阶跃响应困难
+−12 VR = 21 ΩL = 500 mHC = 47 µFvC​

一个串联 RLC 电路,R = 21 Ω,L = 500 mH,C = 47 µF,在 t = 0 时接到 12 V 的阶跃上。电容未充电,阶跃之前没有电流。 求电容电压的峰值 vC,max。

R = 21 ΩL = 500 mHC = 47 µFV = 12 V
vC,max = V
35.伯德图与裕度中等
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 15

求 G(s) = 37(s + 3)/(s(s + 5)) 在 ω = 15 rad/s 时的相位 ∠G(jω),单位为度。

G(s) = 37(s + 3)/(s(s + 5))ω = 15 rad/s
∠G(jω) = °
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 8/(s(s + 1)(s + 3))。 求增益裕度 GM,单位为 dB。

L(s) = 8/(s(s + 1)(s + 3))
GM = dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 8s(s + 2)(s + 4)C(s)−

某单位负反馈回路的 L(s) = K(s + 8)/(s(s + 2)(s + 4)),K > 0。求使闭环稳定的最大增益 Kmax。

L(s) = K(s + 8)/(s(s + 2)(s + 4))
Kmax =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2

某单位负反馈回路的 L(s) = K(s + 1)/(s(s + 8)(s + 4)(s + 5))。求根轨迹渐近线与实轴的交点 σa。

L(s) = K(s + 1)/(s(s + 8)(s + 4)(s + 5))
σa =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 1t+Ks(s + 1)C(s)−

某单位负反馈回路的 G(s) = K/(s(s + 1)),必须以 0.1 的稳态误差跟踪斜坡 r(t) = 1t。求增益 K。

G(s) = K/(s(s + 1))r(t) = 1tess = 0.1
K =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K1s(s + 4)C(s)−

比例控制器 K 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 1/(s(s + 4))。求使闭环阻尼比 ζ = 0.4 的增益 K。

G(s) = 1/(s(s + 4))ζ = 0.4
K =

3溶液

1.串并联电阻

答案: Req = 7.714 Ω

串联和并联电阻:串联时每个电阻流过相同电流,R = R₁ + R₂ + …。并联时每个电阻两端电压相同,1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。梯形网络每次合并一对,直到只剩一个等效电阻。

R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​8 ΩB

从远端开始合并电阻

从离电源最远的一端开始,逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联;接在同一对节点之间的电阻为并联。

R3 + R4 = 4 + 8 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 2·12/(2+12) = 1.714 Ω
Req = R1 + 1.714 = 6 + 1.714 = 7.714 Ω

答案

Req = 7.714 Ω
2.串并联电阻

答案: IR2 = 2.343 A

串联和并联电阻:串联时每个电阻流过相同电流,R = R₁ + R₂ + …。并联时每个电阻两端电压相同,1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。梯形网络每次合并一对,直到只剩一个等效电阻。

R1​ = 4 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAR4​20 ΩBR6​5 Ω

从远端开始合并电阻

从离电源最远的一端开始,逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联;接在同一对节点之间的电阻为并联。

R5 + R6 = 20 + 5 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 11.11 Ω
R3 + 11.11 = 16.11 Ω
R2 ∥ 16.11 = 3.816 Ω
Req = R1 + 3.816 = 4 + 3.816 = 7.816 Ω

电源电流

电源只看到 Req,由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。

IR1 = V1/Req = 24/7.816 = 3.071 A

流过 R₂ 的电流

减去 R₁ 上的压降得到节点 A 的电压,即 R₂ 两端的电压。

VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 3.071·4 = 11.72 V
IR2 = VA/R2 = 11.72/5 = 2.343 A

答案

IR2 = 2.343 A
3.节点分析

答案: I3 = 2.5 A

节点分析法:选定参考节点,标出未知节点电压,利用欧姆定律 (I = ΔV/R) 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律方程,并求解方程组。

节点 A 的 KCL

取底部导线为地。每条支路从 A 流出的电流为 (VA − Vk)/Rk,其中 Vk 为该支路电源的电压(纯电阻支路为零)。从 A 流出的电流之和为零。

(VA − (−15))/6 + (VA − 15)/12 + (VA − 15)/4 = 0

求 VA

VA = ((−15)/6 + 15/12 + 15/4) / (1/6 + 1/12 + 1/4) = 2.5/0.5 = 5 V

支路电流

箭头沿支路向上,指向节点 A。

I3 = (15 − VA)/R3 = (15 − 5)/4 = 2.5 A

答案

I3 = 2.5 A

结果为负表示实际电流与箭头方向相反。

4.节点分析

答案: VA = 4.167 V

节点分析法:选定参考节点,标出未知节点电压,利用欧姆定律 (I = ΔV/R) 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律方程,并求解方程组。

构成超节点

A 与 B 之间的电压源中的电流未知,所以不能分别在 A 或 B 单独列 KCL。把 A、B 和电压源一起包成一个超节点:流入它的电流等于流出它的电流。

VB = VA + 12
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

求解

(VA − 5)/15 + VA/20 + (VA + 12)/12 = 1.5
VA·(1/15 + 1/20 + 1/12) = 1.5 + 5/15 − 12/12 = 0.8333
VA = 0.8333/0.2 = 4.167 V
VB = 16.17 V

答案

VA = 4.167 V
5.网孔分析

答案: I1 = −1.846 A

网孔分析法:给平面电路的每个窗口设一个回路电流,沿每个回路列基尔霍夫电压定律(电压降之和 = 电压升之和)并求解。支路电流就是网孔电流,或共用支路上两个网孔电流之差。

R1​ = 3 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

设定网孔电流

在每个窗口画一个顺时针电流:I1, I2。两个网孔共用的电阻流过两者电流之差。

网孔 1 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
3·I1 + 5(I1 − I2) = 6
8·I1 − 5·I2 = 6

网孔 2 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
3·I2 + 5(I2 − I1) = (−24)
−5·I1 + 8·I2 = −24

求解

Δ = (8)(8) − (−5)(−5) = 39
I1 = Δ1/Δ = −72/39 = −1.846 A
I2 = Δ2/Δ = −162/39 = −4.154 A

答案

I1 = −1.846 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR4 = 1.604 A

网孔分析法:给平面电路的每个窗口设一个回路电流,沿每个回路列基尔霍夫电压定律(电压降之和 = 电压升之和)并求解。支路电流就是网孔电流,或共用支路上两个网孔电流之差。

R1​ = 2 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR4​12 ΩAR5​6 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

设定网孔电流

在每个窗口画一个顺时针电流:I1, I2, I3。两个网孔共用的电阻流过两者电流之差。

网孔 1 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
2·I1 + 12(I1 − I2) = 24
14·I1 − 12·I2 = 24

网孔 2 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
8·I2 + 12(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 26·I2 − 6·I3 = 0

网孔 3 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
12·I3 + 6(I3 − I2) = (−30)
−6·I2 + 18·I3 = −30

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 3456
I1 = Δ1/Δ = 8208/3456 = 2.375 A
I2 = Δ2/Δ = 2664/3456 = 0.7708 A
I3 = Δ3/Δ = −4872/3456 = −1.41 A

答案

IR4 = I1 − I2 = 1.604 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: Is = 0.2308 A

叠加定理:在线性电路中,任何电压或电流都等于各独立源单独作用时响应之和。要置零一个电源,将理想电压源换成短路,理想电流源换成开路。电阻保持不变。

R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​10 ΩB开路

情况 1 · V1 单独作用

Iₛ 变为开路,因此 R₃ 和 R₄ 构成一条从 A 到地的串联支路,与 R₂ 并联。

R3+R4 = 8+10 = 18 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·18/(6+18) = 4.5 Ω
VA = 10·4.5/(20+4.5) = 1.837 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1.837·10/18 = 1.02 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (1.837 − 1.02)/8 = 0.102 A

情况 2 · Is 单独作用

V₁ 变为短路,所以 R₁ ∥ R₂ 接在 A 与地之间。Iₛ 在 B 点分流到 R₄ 和支路 R₃ + R₁∥R₂;流过 R₃ 的部分从 B 流向 A,与箭头方向相反。

R1 ∥ R2 = 4.615 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·10/22.62 = −0.4422·Is

令总和为零

IR3′ + IR3″ = 0.102 − 0.4422·Is = 0
Is = 0.102/0.4422 = 0.2308 A

答案

Is = 0.2308 A
8.叠加定理

答案: PR3 = 35.21 W

叠加定理:在线性电路中,任何电压或电流都等于各独立源单独作用时响应之和。要置零一个电源,将理想电压源换成短路,理想电流源换成开路。电阻保持不变。

R1​ = 4 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​15 VR3​12 ΩA开路B短路

情况 1 · V1 单独作用

V₂ 变为短路,Iₛ 变为开路。从 A 看去,R₃ 与串联的 R₂+R₄ 并联。

R3 ∥ (R2+R4) = 12 ∥ 34 = 8.87 Ω
VA = 15·8.87/(4+8.87) = 10.34 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 10.34·30/34 = 9.122 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (10.34 − 0)/12 = 0.8615 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 30 Ω短路R3​12 ΩAIs​3 AB短路

情况 2 · Is 单独作用

两个电压源都变为短路。Iₛ 在 B 点分流到 R₄(现在接地)和与 R₁ ∥ R₃ 串联的 R₂。

R1 ∥ R3 = 3 Ω,所以左侧路径为 R2+3 = 7 Ω
Req = R4 ∥ 7 = 5.676 Ω
VB = Is·Req = 3·5.676 = 17.03 V
VA = VB·3/7 = 7.297 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (7.297 − 0)/12 = 0.6081 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 30 Ω短路R3​12 ΩA开路B+−V2​36 V

情况 3 · V2 单独作用

V₁ 变为短路,Iₛ 变为开路。R₁ ∥ R₃ 接在 A 上,再与 R₂ 串联回到 B。

R1 ∥ R3 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·7/37 = 6.811 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 6.811·3/7 = 2.919 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (2.919 − 0)/12 = 0.2432 A

把电流的各个贡献相加

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴ = 0.8615 + 0.6081 + 0.2432 = 1.713 A

电阻中的功率

功率取决于电流的平方,所以不满足叠加定理:先把电流相加,再取平方。

PR3 = IR3²·R3 = 1.713²·12 = 35.21 W

答案

PR3 = 35.21 W

把各单独情况下的功率相加会得到 14.05 W,这是错误的。

9.戴维南和诺顿

答案: Rth = 16.57 Ω

戴维南定理:任何线性二端网络都等效为一个电压源 Vth 串联一个电阻 Rth。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 IN = Vth/Rth 与 Rth 并联。

R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω短路R2​15 ΩAabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 20·15/(20+15) = 8.571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8.571 + 8 = 16.57 Ω
10.戴维南和诺顿

答案: IN = 5.964 A

戴维南定理:任何线性二端网络都等效为一个电压源 Vth 串联一个电阻 Rth。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 IN = Vth/Rth 与 Rth 并联。

R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω短路R2​3 ΩA开路BabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 5·3/(5+3) = 1.875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.875 + 5 = 6.875 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩAIs​4 ABab+−Vth​

求开路电压 Vth

a–b 开路时,Iₛ 只能经 R₃ 流入节点 A。用 V₁ 和 Iₛ 叠加求 V_A,再加上 R₃ 上的压降。

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 13.5 + 4·1.875 = 21 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21 + 4·5 = 41 V
IN​5.964 ARth​6.875 Ωab

诺顿等效

诺顿电源是同一电路看作与 R_th 并联的电流源。其电流就是 a–b 的短路电流。

IN = Vth/Rth = 41/6.875 = 5.964 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: W(∞) = 12.24 mJ

一阶暂态:在只含一个电容或一个电感的电路中,每个电压和电流都从初始值按指数规律变化到终值:x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ,其中 τ = RC 或 τ = L/R。约 5τ 后电路进入稳态。

时间常数和终值电流

开关闭合很久后,电感相当于短路,因此终值电流只由 R 决定。

τ = L/R = 68 mH / 15 Ω = 4.533 ms
i(∞) = Vs/R = 9/15 = 0.6 A

储存的能量

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·68·0.6² = 12.24 mJ

答案

W(∞) = 12.24 mJ
12.RC 和 RL 暂态

答案: i = 0.4534 A

一阶暂态:在只含一个电容或一个电感的电路中,每个电压和电流都从初始值按指数规律变化到终值:x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ,其中 τ = RC 或 τ = L/R。约 5τ 后电路进入稳态。

初始值、终值、时间常数

在 t = 0 之前,闭合的开关把 R₂ 旁路;之后 R₁ 和 R₂ 都在回路中。

i(0) = 9/10 = 0.9 A
i(∞) = 9/(10 + 20) = 0.3 A
τ = L/R = 220/30 = 7.333 ms
i(t) = 0.3 + (0.9 − 0.3)·e−t/τ

给定时刻的电流

i(10) = 0.3 + (0.6)·e−10/7.333 = 0.4534 A

答案

i = 0.4534 A
13.交流阻抗和相量

答案: I = 0.2128 A

相量法分析交流电路:电阻、电感和电容的阻抗分别为 R、jωL 和 1/(jωC),其中 ω = 2πf。串联时阻抗像电阻一样相加,但按复数计算。电流和电压的有效值满足以 |Z| 表示的欧姆定律。

电抗

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0.2 = 628.3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·4.7·10⁻⁶) = 67.73 Ω

阻抗

串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (560.6)²) = 563.8 Ω

电流

串联电路中每个元件流过相同电流。

I = V/|Z| = 120/563.8 = 0.2128 A

答案

I = 0.2128 A
14.交流阻抗和相量

答案: VL = 71.07 V

相量法分析交流电路:电阻、电感和电容的阻抗分别为 R、jωL 和 1/(jωC),其中 ω = 2πf。串联时阻抗像电阻一样相加,但按复数计算。电流和电压的有效值满足以 |Z| 表示的欧姆定律。

谐振

谐振时电抗相互抵消,所以阻抗就是 R。

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.1·2.2·10⁻⁶) = 2132 rad/s
I = V/R = 5/15 = 0.3333 A

电感两端的电压

XL = ω₀L = 2132·0.1 = 213.2 Ω
VL = I·XL = 0.3333·213.2 = 71.07 V

答案

VL = 71.07 V

这是电源电压的 Q = 14.21 倍。

15.交流功率和功率因数

答案: R = 25.6 Ω

交流功率:视在功率 S = V·I (VA) 分为做有用功的有功功率 P = S·cos φ (W),以及在电源和负载之间来回交换的无功功率 Q = S·sin φ (var)。功率因数为 cos φ。并联电容就地提供无功功率,因此在有功功率不变时线路电流减小。

由有功功率求电阻

R = P/I² = 1440/7.5² = 25.6 Ω

答案

R = 25.6 Ω
16.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 130.2 kW

交流功率:视在功率 S = V·I (VA) 分为做有用功的有功功率 P = S·cos φ (W),以及在电源和负载之间来回交换的无功功率 Q = S·sin φ (var)。功率因数为 cos φ。并联电容就地提供无功功率,因此在有功功率不变时线路电流减小。

现有负载的无功功率

Q1 = 58·tan(arccos 0.65) = 67.81 kvar

最大总有功功率

满额定时 S = Smax,而电阻性负载不改变 Q。

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 67.81²) = 188.2 kW

增加的有功功率

ΔP = 188.2 − 58 = 130.2 kW

答案

ΔP = 130.2 kW
17.三相电

答案: P = 12.61 kW

对称三相系统:在 Y(星形)联结中,线电压是相电压的 √3 倍,VL = √3·Vph,线电流等于相电流。在 Δ(三角形)联结中,线电压等于相电压,线电流是相电流的 √3 倍,IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。

视在功率

S = √3·VL·IL = √3·208·50 = 18.01 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 18.01·0.7 = 12.61 kW

答案

P = 12.61 kW
18.三相电

答案: Cph = 344.9 µF

对称三相系统:在 Y(星形)联结中,线电压是相电压的 √3 倍,VL = √3·Vph,线电流等于相电流。在 Δ(三角形)联结中,线电压等于相电压,线电流是相电流的 √3 倍,IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。 功率因数校正:电容就地提供无功功率,QC = P·(tan φ1 − tan φ2)。三个电容各提供 QC/3 = V²·ω·C,其中 V 是该电容两端的电压:Δ 联结电容器组为 VL,Y 联结电容器组为 VL/√3。

补偿前后的无功功率

有功功率不变,因此每个功率因数对应确定的无功功率:Q = P·tan φ。

Q1 = 50·tan(acos 0.78) = 50·0.8023 = 40.11 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0.98) = 50·0.2031 = 10.15 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 29.96 kvar

每相电容

在 Y 联结电容器组中,每个电容接在一根相线和星点之间。

V = 480/√3 = 277.1 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 9987/(377·277.1²) = 344.9 µF

答案

Cph = 344.9 µF
19.变压器

答案: R1′ = 36 Ω

理想变压器:电压之比等于匝数之比,电流之比等于匝数的反比:V₁/V₂ = N₁/N₂ = a,I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a,因此输入功率等于输出功率,V₁·I₁ = V₂·I₂。二次侧的负载阻抗 Z 从一次侧看相当于 a²·Z。

折算电阻

电压升高 a 倍,电流降低 a 倍,所以比值 V/I 增大 a² 倍。

R1′ = a²·RL = 3²·4 = 36 Ω

答案

R1′ = 36 Ω
20.变压器

答案: Sη,max = 158.1 kVA

变压器损耗:铁损(磁滞和涡流)取决于电压,在任何负载下都相同。绕组中的铜损与电流的平方成正比,因此在额定负载的 x 倍时为 x²·Pcu,fl。效率 η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu),其中 Pout = x·S·pf。铜损等于铁损时的负载下效率最高。

铜损等于铁损

x²·1875 = 750 → x = √(750/1875) = 0.6325

最高效率时的负载

Sη,max = x·S = 0.6325·250 = 158.1 kVA

答案

Sη,max = 158.1 kVA
21.运放电路

答案: Vout = 2.815 V

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

反相输入端跟随输入

V₋ = V₊ = 0.9 V
I = V₋/R1 = 0.9/47 = 0.01915 mA

输出电压

流过 R₁ 的电流也流过 Rf。

Vout = V₋ + I·Rf = 0.9 + 0.01915·100 = 2.815 V

答案

Vout = 2.815 V
22.运放电路

答案: Vout = 0.3266 V

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

输入电流

V₋ = 0,所以每个输入电阻两端就是其全部输入电压。

I1 = V1/R1 = −0.7/2 = −0.35 mA
I2 = V2/R2 = 1.1/47 = 0.0234 mA
If = I1 + I2 = −0.3266 mA

输出电压

Vout = −Rf·If = −1·(−0.3266) = 0.3266 V

答案

Vout = 0.3266 V
23.二极管与晶体管

答案: IZ = 4.496 mA

齐纳稳压器:反向偏置的齐纳二极管在电流保持高于最小值 IZ,min 时维持其电压 VZ。串联电阻 R 承担输入与输出之间的差值:IR = (Vin − VZ)/R。该电流分给负载 IL = VZ/RL 和齐纳管 IZ = IR − IL。按最坏情况设计:最低输入与最大负载时仍须留有 IZ,min,而最高输入与空载时齐纳管功率最大,PZ = VZ·IZ。

电阻电流

IR = 5.9/330 = 17.88 mA

负载电流

IL = 9.1/680 = 13.38 mA

齐纳电流

IZ = 17.88 − 13.38 = 4.496 mA

答案

IZ = 4.496 mA
24.二极管与晶体管

答案: RB = 18.42 kΩ

BJT 用作开关:要使负载完全导通,晶体管须驱动到饱和,此时 VCE = VCE(sat),集电极电流由负载决定:IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC。饱和至少需要 IB = IC(sat)/β。若基极电流更小,晶体管仍处于放大区,IC = β·IB。

饱和时的集电极电流

IC(sat) = (5 − 0.2)/680 = 7.059 mA

最小基极电流

IB(min) = IC(sat)/β = 7.059/50 = 141.2 µA

基极电阻

RB = (3.3 − 0.7)/IB = 2.6 V/0.1412 mA = 18.42 kΩ

答案

RB = 18.42 kΩ

任何更小的基极电阻也能使晶体管饱和;实际中通常选小几倍的电阻。

25.数制

答案: U = 237

设置比特位:每一位对应 2 的一个幂(128、64、…、1)。一个十六进制数字恰好是四位,在 8 位补码中最左边的位权重为 −128。按位运算对每个位位置分别进行。

取反加一

19 = 0001 0011
取反后: 1110 1100
+1 → 1110 1101

按无符号数读取

1110 1101₂ = 256 − 19 = 237

答案

U = 237
26.数制

答案: R = 72

设置比特位:每一位对应 2 的一个幂(128、64、…、1)。一个十六进制数字恰好是四位,在 8 位补码中最左边的位权重为 −128。按位运算对每个位位置分别进行。

逐位计算

AND 只有在两位都为 1 时才得 1。

0100 1000
AND 1101 1100
= 0100 1000

结果的值

0100 1000₂ = 72

答案

R = 72
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 3

卡诺图:各格按格雷码(00, 01, 11, 10)排列,所以相邻的格子(包括跨越边界的格子)恰好只有一个变量不同。把 1 圈成由 1、2、4、8 或 16 个格子组成的矩形,圈尽可能大、尽可能少,直到每个 1 都被覆盖。每个圈对应一个乘积项:圈内保持不变的变量。由 2ᵏ 个格子组成的圈会消去 k 个变量。无关项 (X) 可用来使圈变大,但不必被覆盖。改为圈 0 则得到最简 POS 形式。

ABC00011110011001030204151706

圈 0

每个圈都是由 2ᵏ 个格子组成的矩形;边上的格子与对边上的格子相邻。

(B′ + C)
(A + C′)
(A′ + C)

最简 POS 形式

F = (B′ + C)(A + C′)(A′ + C)
N = 3

答案

N = 3

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 4

卡诺图:各格按格雷码(00, 01, 11, 10)排列,所以相邻的格子(包括跨越边界的格子)恰好只有一个变量不同。把 1 圈成由 1、2、4、8 或 16 个格子组成的矩形,圈尽可能大、尽可能少,直到每个 1 都被覆盖。每个圈对应一个乘积项:圈内保持不变的变量。由 2ᵏ 个格子组成的圈会消去 k 个变量。无关项 (X) 可用来使圈变大,但不必被覆盖。改为圈 0 则得到最简 POS 形式。

质蕴涵项

由 1 和 X 能够构成的最大的圈。

B′C′D, AC′D, A′B′D, A′B′C, A′BC′D′
ABCD00011110000111100011X3121405X7060121130150140819011010

最小覆盖

F = B′C′D + AC′D + A′B′C + A′BC′D′
N = 4

答案

N = 4

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

29.拉普拉斯变换

答案: A = 1.5

拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对:1 ↔ 1/s,e−at ↔ 1/(s + a),t·e−at ↔ 1/(s + a)²,sin ωt ↔ ω/(s² + ω²),cos ωt ↔ s/(s² + ω²);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

分解分母

s² + 8s + 7 = (s + 1)(s + 7)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 7)

遮盖法

乘以 (s + 1) 并令 s = −1:B 项消失。

A = (5s + 14)/(s + 7) |s = −1 = 9/6 = 1.5

答案

A = 1.5
(B = 3.5,所以 f(t) = 1.5·e−t + 3.5·e−7t)
30.拉普拉斯变换

答案: y(0.2) = 0.04929

拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对:1 ↔ 1/s,e−at ↔ 1/(s + a),t·e−at ↔ 1/(s + a)²,sin ωt ↔ ω/(s² + ω²),cos ωt ↔ s/(s² + ω²);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

对方程做变换

Y(s) = 3/(s(s + 1)(s + 2))

部分分式

A = 3/(1·2) = 1.5
B = 3/((−1)·1) = −3
C = 3/((−2)·(−1)) = 1.5

出量

y(t) = 1.5 − 3·e−t + 1.5·e−2t
y(0.2) = 0.04929

答案

y(0.2) = 0.04929
31.方框图

答案: css = 15.85

方框图代数:串联的方框相乘(G₁·G₂),并联的方框相加(G₁ + G₂),前向通路为 G、反馈通路为 H 的回路,在负反馈时化简为 T = G/(1 + G·H),在正反馈时为 G/(1 − G·H)。先化简内环,再向外推进。闭环极点是特征方程 1 + G(s)H(s) = 0 的根。对于稳定的回路,大小为 A 的阶跃输入给出稳态输出 A·T(0);单位反馈时,对阶跃的稳态误差为 A/(1 + Kp),其中 Kp = G(0)。

闭环传递函数

T(s) = G/(1 + G·H) = 21/(s + 8 + 5.25) = 21/(s + 13.25)

结果

css = R·T(0) = 10·21/13.25 = 15.85

答案

css = 15.85
32.方框图

答案: T(0) = 1.02

方框图代数:串联的方框相乘(G₁·G₂),并联的方框相加(G₁ + G₂),前向通路为 G、反馈通路为 H 的回路,在负反馈时化简为 T = G/(1 + G·H),在正反馈时为 G/(1 − G·H)。先化简内环,再向外推进。闭环极点是特征方程 1 + G(s)H(s) = 0 的根。对于稳定的回路,大小为 A 的阶跃输入给出稳态输出 A·T(0);单位反馈时,对阶跃的稳态误差为 A/(1 + Kp),其中 Kp = G(0)。

内环

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 10/(s + 16)

外环

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 100/((s + 3)(s + 16) + 50)

直流增益

T(0) = 100/(3·16 + 50) = 100/98 = 1.02

答案

T(0) = 1.02
33.阶跃响应

答案: ts = 1.143 s

阶跃响应:一阶系统 G(s) = K/(τs + 1) 对大小为 U 的阶跃的响应是 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ):经过一个时间常数 τ 达到终值 K·U 的 63.2 %,经过 4τ 达到 98 %。二阶系统 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) 的极点为 s = −ζωₙ ± jωd,其中 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)。当 0 < ζ < 1 时,阶跃响应有超调:百分比超调量 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),峰值时间 tp = π/ωd,2 % 调节时间 ts ≈ 4/(ζωₙ)。把分母与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 比较,即可读出 ωₙ 和 ζ。对于质量–弹簧–阻尼器,ωₙ = √(k/m),ζ = c/(2√(km));对于串联 RLC 电路,ωₙ = 1/√(LC),ζ = (R/2)·√(C/L)。

与标准形式比较

分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。

ωₙ² = 82 → ωₙ = 9.055 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·9.055) = 0.3865

结果

ζωₙ = 3.5 → ts ≈ 4/3.5 = 1.143 s

答案

ts = 1.143 s
34.阶跃响应

答案: vC,max = 20.7 V

阶跃响应:一阶系统 G(s) = K/(τs + 1) 对大小为 U 的阶跃的响应是 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ):经过一个时间常数 τ 达到终值 K·U 的 63.2 %,经过 4τ 达到 98 %。二阶系统 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) 的极点为 s = −ζωₙ ± jωd,其中 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)。当 0 < ζ < 1 时,阶跃响应有超调:百分比超调量 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),峰值时间 tp = π/ωd,2 % 调节时间 ts ≈ 4/(ζωₙ)。把分母与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 比较,即可读出 ωₙ 和 ζ。对于质量–弹簧–阻尼器,ωₙ = √(k/m),ζ = c/(2√(km));对于串联 RLC 电路,ωₙ = 1/√(LC),ζ = (R/2)·√(C/L)。

固有频率和阻尼比

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.5·4.7 × 10⁻⁵) = 206.3 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (21/2)·√(4.7 × 10⁻⁵/0.5) = 0.1018

结果

%OS = 72.51 %
vC,max = 12·(1 + 0.7251) = 20.7 V

答案

vC,max = 20.7 V
35.伯德图与裕度

答案: ∠G(jω) = −82.87 °

频率响应:在传递函数中代入 s = jω。以分贝表示的幅值为 20·log₁₀|H(jω)|,相位是分子各因子的角度之和减去分母各因子的角度之和。一阶 RC 或 RL 滤波器的转折(−3 dB)频率为 ωc = 1/(RC) 或 R/L,而 fc = ωc/(2π);低通滤波器给出 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²),φ = −atan(ω/ωc)。在渐近(折线)伯德图中,每个极点在其转折频率处使幅值向下弯折 20 dB/十倍频,每个零点使它向上弯折 20 dB/十倍频,积分环节 1/s 在所有频率上给出 −20 dB/十倍频。增益穿越频率 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB);相位裕度 PM = 180° + ∠L(jωc)。相位穿越频率 ω180:∠L(jω) = −180°;增益裕度 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。当两个裕度都为正时,闭环稳定。

把各角度相加

∠G = atan(15/3) − 90° − atan(15/5) = 78.69° − 90° − 71.57°

结果

∠G(j15) = −82.87°

答案

∠G(jω) = −82.87°
36.伯德图与裕度

答案: GM = 3.522 dB

频率响应:在传递函数中代入 s = jω。以分贝表示的幅值为 20·log₁₀|H(jω)|,相位是分子各因子的角度之和减去分母各因子的角度之和。一阶 RC 或 RL 滤波器的转折(−3 dB)频率为 ωc = 1/(RC) 或 R/L,而 fc = ωc/(2π);低通滤波器给出 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²),φ = −atan(ω/ωc)。在渐近(折线)伯德图中,每个极点在其转折频率处使幅值向下弯折 20 dB/十倍频,每个零点使它向上弯折 20 dB/十倍频,积分环节 1/s 在所有频率上给出 −20 dB/十倍频。增益穿越频率 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB);相位裕度 PM = 180° + ∠L(jωc)。相位穿越频率 ω180:∠L(jω) = −180°;增益裕度 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。当两个裕度都为正时,闭环稳定。

相位穿越

(ω/1)·(ω/3) = 1 → ω180 = √(1·3) = 1.732 rad/s

相位穿越处的幅值

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 9)) = K/(1·3·(1 + 3)) = K/12

增益裕度

GM = 20·log₁₀(12/8) = 3.522 dB

答案

GM = 3.522 dB
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmax = 24

劳斯–赫尔维茨判据:当特征多项式的所有根都位于 s 平面左半部分时,线性系统是稳定的。把系数交替写入劳斯表的前两行。新一行的每个元素由上面两行得出;对于三次多项式 a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀,s¹ 行的元素为 b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂。第一列中符号变化的次数等于右半平面内根的个数。当系数中含有增益 K 时,第一列的每个元素都必须保持为正:使 s¹ 行元素为零的增益就是稳定极限,此时 s² 行给出持续振荡的频率。

特征多项式

s(s + 2)(s + 4) + K(s + 8) = s³ + 6s² + (8 + K)s + 8K

劳斯阵列

s³: 1, 8 + K
s²: 6, 8K
s¹: (6·(8 + K) − 8K)/6
s⁰: 8K

条件

48 − 2K > 0
K < 48/2 = 24

答案

Kmax = 24

如果零点位于 s = −6 的右侧,则对所有 K > 0 回路都保持稳定。

38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: σa = −5.333

根轨迹:当增益 K 从 0 增大到 ∞ 时,闭环极点(即 1 + K·G(s) = 0 的根)从开环极点移向开环零点或无穷远。实轴上的某一点属于根轨迹,当且仅当其右侧的实极点和实零点的总数为奇数。趋向无穷远的 n − m 条分支沿渐近线延伸,渐近线的角度为 (2q + 1)·180°/(n − m),起点为重心 σₐ = (Σ极点 − Σ零点)/(n − m)。分支在 dK/ds = 0 处离开或汇入实轴。相角条件 ∠G(s) = 180° 决定轨迹的形状,幅值条件 K = 1/|G(s)| 给出轨迹上任意一点对应的增益。

极点和零点

个极点: 0, −8, −4, −5
0 位: −1
n − m = 4 − 1 = 3

形心

σa = (−17 − (−1))/3 = −5.333

答案

σa = −5.333

3 条渐近线从重心出发,角度为 60°, 180°, 300°。

39.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 10

稳态误差:在单位负反馈回路中,设开环传递函数为 G(s),则误差为 E(s) = R(s)/(1 + G(s)),由终值定理得 ess = lims→0 s·E(s)。系统型别是 G(s) 在 s = 0 处的极点个数。误差常数为 Kp = lim G(s)、Kv = lim s·G(s) 和 Ka = lim s²·G(s),均取 s → 0。大小为 A 的阶跃输入给出 ess = A/(1 + Kp),斜坡 A·t 给出 A/Kv,抛物线 A·t²/2 给出 A/Ka。0 型回路跟踪阶跃有有限误差,1 型回路能无误差跟踪阶跃,跟踪斜坡则有有限误差。

所需速度误差常数

Kv = A/ess = 1/0.1 = 10

增益

K = 1·Kv = 10

答案

K = 10

增益很大时,这个回路的阻尼很小:ζ = 0.1581。这种矛盾正是需要使用补偿器的原因。

40.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 25

P、PI 和 PID 控制:控制器 C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s 作用于误差。比例增益使回路更快,并减小 0 型对象的误差,但无法将其消除。积分项增加一个 s = 0 处的极点:系统型别升高一级,阶跃输入可以被无误差地跟踪。微分项增加阻尼。选取增益时,写出闭环特征多项式,并与 s² + 2ζωns + ωn² 比较。然后 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),tp = π/ωd,其中 ωd = ωn√(1 − ζ²),ts ≈ 4/(ζωn)。

特征多项式

s(s + 4) + 1K = s² + 4s + 1K

固有频率

2·0.4·ωₙ = 4 → ωₙ = 5 rad/s

增益

1K = ωₙ² = 25 → K = 25

答案

K = 25

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